Ice I without stacking disorder by evacuating hydrogen from hydrogen hydrate

水素ハイドレートから水素を抜くことによりできた積層欠陥のない氷I

小松 一生*; 町田 真一*; 則武 史哉*; 服部 高典   ; 佐野 亜沙美   ; 山根 崚*; 山下 恵史朗*; 鍵 裕之*

Komatsu, Kazuki*; Machida, Shinichi*; Noritake, Fumiya*; Hattori, Takanori; Sano, Asami; Yamane, Ryo*; Yamashita, Keishiro*; Kagi, Hiroyuki*

水は、0Cで六方晶積層をもった通常の氷Iに凍結する。一方、ある条件では、立方晶積層を持った氷Iになるが、積層欠陥のない氷Icはごく最近まで作れなかった。今回、我々は、氷Iと同じフレームワークを持った水素ハイドレートの高圧相Cから水素を脱ガスすることによって積層欠陥のない氷Iを作る方法を発見した。これまで同様の方法で作られたネオンハイドレートからの氷XVIや水素ハイドレートからの氷VXIIの生成と異なり、今回の氷Iは、Cハイドレートから中間非晶質相やナノ結晶相をへて形成された。得られた氷Iは、積層欠陥がないために、これまで得られているものに比べ高い熱安定性を示し、氷Iに相転移する250Kまで安定に存在する。積層欠陥のない氷Iの発見は、Iのカウンターパートとして、氷の物性に与える積層欠陥の影響を調べるうえで役立つことが期待される。

Water freezes below 0C at ambient pressure ordinarily to ice I, with hexagonal stacking sequence. Under certain conditions, ice with a cubic stacking sequence can also be formed, but ideal ice I without stacking-disorder has never been formed until recently. Here we demonstrate a route to obtain ice I without stacking-disorder by degassing hydrogen from the high-pressure form of hydrogen hydrate, C, which has a host framework isostructural with ice I. The stacking-disorder free ice I is formed from C via an intermediate amorphous or nano-crystalline form under decompression, unlike the direct transformations occurring in ice XVI from neon hydrate, or ice XVII from hydrogen hydrate. The obtained ice I shows remarkable thermal stability, until the phase transition to ice I at 250 K, originating from the lack of dislocations. This discovery of ideal ice I will promote understanding of the role of stacking-disorder on the physical properties of ice as a counter end-member of ice I.